Materiales magnéticos

EL MAGNETISMO EN EL SIGLO XX
6.1. La estructura atómica de la materia
Todos los materiales están constituidos por átomos
indivisibles, que se agrupan en moléculas, las cuales
dan lugar a diferentes substancias. Esta idea, que ya
barruntaran algunos pensadores griegos como Leucipo y
Demócrito (s. V AC) y que reaparece intermitentemente,
pero de forma un tanto confusa, a lo largo de la historia,
tomó carta de naturaleza a principios del siglo XIX y se
debe al químico inglés John Dalton (1766-1844), quien
dedicó gran parte de su vida a aislar los distintos átomos
ordenándolos según sus propiedades. Esta labor dio la
clave al químico ruso Dimitri Mendeleiev (1834-1907)
para la construcción de su sistema periódico, en el que
fue ordenando por columnas los átomos que tenían
propiedades parecidas.
A finales del siglo XIX se descubrió que los átomos no eran indivisibles, sino que estaban constituidos, a su vez, por partículas cargadas eléctricamente, unas
con carga positiva (a las que Ernest Rutherford denominó protones) y otras con carga negativa (a las que J.J. Thomson denominó electrones). Como ya se
sabía que los átomos eran eléctricamente neutros, estaba claro que tenían que tener el mismo número de protones que de electrones. Este número era
diferente para cada átomo y se le denominó número atómico.
Pero ¿cómo se articulaban protones y electrones para formar un átomo? Los primeros años del siglo XX vieron
diversas respuestas a esta pregunta (modelos atómicos). Aquí solamente hablaremos del modelo atómico de
Rutherford, después mejorado por Niehls Bohr, que ha sido el modelo más útil y didáctico para explicar la relación
entre la estructura de la materia y sus propiedades químicas, eléctricas ópticas y magnéticas.
El modelo de Rutherford- Bohr asemeja el átomo a un sistema solar microscópico. Los protones forman un núcleo
positivo (después se descubrió que también había partículas neutras, neutrones) en el centro del átomo, a semejanza
del sol, mientras que los electrones giran a su alrededor a semejanza de los planetas. Cada órbita admite un número
fijo de electrones, de manera que los átomos, que contienen un número creciente de electrones van también llenando
un número creciente de capas.
6.2. Tipos de materiales magnéticos
El magnetismo es una propiedad de los electrones. Por ser el electrón una partícula con carga, al girar en torno al núcleo produce un momento magnético
llamado momento magnético orbita. Pero cada electrón está animado de un movimiento de giro sobre sí mismo, como puede verse en esta representación de
un átomo de hidrógeno.
Este giro le confiere un momento magnético o momento bipolar, que recibe el nombre de spin.
Por lo tanto, las propiedades magnéticas de los átomos y de los materiales dependen de la forma
en que se organicen los momentos magnéticos de sus electrones.
Los momentos de dos electrones se dice que son paralelos cuando sus direcciones están alineadas con los polos norte y sur de ambos
hacia el mismo lado. Esta configuración no es estable, como sabe todo el que haya intentado mantener dos imanes en esta situación.
Esta situación evoluciona espontáneamente de forma que los imanes giran para enfrentar sus polos opuestos, lo que indica que esta última
configuración es más estable o, lo que es lo mismo, de menor energía. En esta nueva situación los spines se dice que son antiparalelos, o
que están apareados.
Materiales diamagnéticos.
En la figura, se ha representado un átomo de helio. Los electrones tienen los spines apareados y, por lo tanto, no poseen momento magnético y no generan
ningún campo.
Lo mismo les ocurre a los materiales que tienen un número par de electrones, todos ellos apareados, que reciben el
nombre de diamagnéticos. En ausencia de un campo exterior sus átomos no tienen momento magnético pero bajo la
influencia de un campo magnético aplicado, los electrones modifican su movimiento produciendo otro campo
magnético débil en la dirección opuesta al aplicado, de manera que aparece una fuerza de repulsión entre la
sustancia y el imán causante del campo. Todos lo átomos tienen este comportamiento, que es independiente de la
temperatura de la muestra, aunque solo se consideran diamagnéticos aquellos materiales que no presentan
características paramagnéticas que los enmascaren.
Los elementos diamagnéticos más conocidos son el bismuto, el mercurio, la plata, el carbón, el plomo y el cobre.
The most common diamagnetic elements are bismuth, mercury, silver, carbon, lead and copper
Aplicación para el aula: Experimentemos
Para fijar ideas podemos realizar algunos experimentos sencillos para que los alumnos conozcan el comportamiento de los materiales diamagnéticos. A
continuación presentamos algunos experimentos que pueden realizarse fácilmente en el aula. En todos ellos se emplean imanes de neodimio que producen
un elevado campo magnético, por lo que se deben manejar con precaución. La mesa de trabajo debe ser de madera y sin estructura de hierro, y debe
evitarse la presencia de objetos ferro magnético dentro del campo de acción de los imanes.
El primero de estos experimentos consiste en observar el diamagnetismo del agua, Para ello se prepara un vaso de
plástico transparente de unos dos centímetros de altura, en el que se introduce un imán cúbico de neodimio de unos 15
milímetros de lado. El vaso de plástico se fabrica fácilmente a partir de una botella de plástico de las de refrescos de
burbujas, sin más que utilizar una regla graduada y unas tijeras. El imán se puede comprar en Aimangz
(http://www.aimangz.com/). A continuación colocamos el conjunto sobre una mesa que no vibre ni se mueva y llenamos
el recipiente con agua hasta que justamente se cubra el imán. Debido al diamagnetismo del agua el imán lo repele,
formándose una concavidad con la forma de la cara del imán en la superficie del agua que resulta evidente si se observa
por reflexión de la luz. El efecto resulta cubrimos el imán con un trozo de plástico negro que podemos obtener a partir de
hojas separadoras, aunque no es fundamental utilizarlo.
El siguiente experimento requiere una lámina de grafito pirolítico, material que se obtiene industrialmente por técnicas
especiales. Puede comprarse por correo en scitoys, (http://scitoys.com/) y su precio no es elevado. Presenta una
estructura de capas, facilmente exfoliable, y en la dirección peropendicular al plano de estas capas es más diamagnético
que el bismuto.
La primera operación consiste en construir una especie de balanza de torsión con una pajita de refresco, de una manera semejante a la que se empleó para
construir el versorium de Gilbert. ). Se atraviesa la pajita con un hilo por su centro y se cuelga de un soporte adecuado. El hilo debe tener un nudo grueso
para evitar que la pajita se deslice hacia abajo por él. Finalmente colgaremos del extremos inferior del hilo algún objeto ligero con el fin de mantenerlo vertical
y con una cierta tensión. En uno de los extremos de la pajita sujetamos con cinta adhesiva un trozo de grafito pirolítico de manera que sus planos exfoliables
se encuentren en la dirección perpendicular al suelo y paralelos a la pajita y nivelamos nuestra balanza con una cantidad apropiada de plastelina en el otro
brazo, como indica la figura. Esperamos a que nuestro aparato quede en reposo, teniendo cuidado de que no haya corrientes de aire que lo muevan,
aproximamos el imán de neodimio al grafito y observamos cómo aparece una fuerza de repulsión entre el imán y el grafito que obliga a girar a la balanza.
Esto ocurre sea cual sea la cara del imán que acerquemos al grafito, lo que indica que el campo magnético induce en la parte próxima del grafito un polo
magnético del mismo signo que el que se acerca. Si se aproxima un polo norte, aparece un polo norte en la parte del grafito más cercana al imán, y
viceversa. Hay que hacer ver a los alumnos que en el caso de los materiales ferromagnéticos el efecto era el contrario. Si se acerca un polo norte del imán en
el material se induce un polo sur que es fuertemente atraído.
Por último queremos presentar otro experimento que requiere igualmente un trozo de grafito pirolítico y cuatro imanes de neodimio como los utilizados en los
experimentos anteriores. La primera operación consiste en colocar los cuatro imanes en la forma que indica la figura, con sus polos magnéticos alternados.
A continuación cortamos un trozo cuadrado de grafito de unos diez milímetros de
lado y lo exfoliamos o lijamos con mucho cuidado hasta conseguir un espesor
aproximado de medio milímetro. Como el peso específico del grafito es muy bajo
(unas dos veces el del agua) el trozo que hemos cortado es lo suficientemente
ligero para que levite sobre el imán de neodimio, como indica la figura. En
nuestro experimento hemos construido un prisma transparente a partir de una
hoja de plástico, para evitar que el grafito se salga del campo magnético del
imán.
El resultado se puede ver en la figura adjunta
Materiales paramagnéticos
Se presenta en materiales que tienen un número impar de electrones (sin aparear) y que dan, por lo tanto, un momento
magnético resultante no nulo. Existen varios modelos que explican los diferentes tipos de paramagnetismo que ocurren en los
distintos tipos de materiales. El modelo de Lagevin, por ejemplo, se aplica a sustancias con electrones localizados en sus
propios átomos con un momento magnético que, debido a la agitación térmica, apunta en direcciones aleatorias dando lugar a
un campo nulo en ausencia de campo externo.
Cuando se someten a la acción de un campo externo, los spines se orientan débilmente, modificando ligeramente su dirección
tendiendo a alinearse con la del campo. El campo creado por el material, o campo inducido, es inversamente proporcional a su magnitud, siguiendo la ley de
Curie.
A este tipo de materiales pertenecen las sales de los metales de transición, como el sulfato de cobre hidratado (SO4Cu. 5H2O). En este caso los momentos
magnéticos de los iones metálicos están rodeados por átomos o iones que impiden que interaccionen entre sí, dando como resultado un material en el que
los momentos vecinos no interaccionan.
Existen otros modelos que contemplan materiales paramagnéticos con electrones itinerantes, como el modelo de Pauli. En este
modelo los electrones no están unidos con sus propios átomos sino que pueden saltar de uno a otro formando una molécula
colectiva. Esto da lugar a un gas de electrones libres o electrones itinerantes, que no interaccionan entre sí y que se mueven en
una matriz de iones, como se indica en la figura.
Los spines de estos electrones itinerantes interaccionan con el campo externo, dando como resultado un desequilibrio energético
entre los electrones cuyo spin se alinea con él (que tienen menor energía) y los de spin contrario (que tienen mayor energía).
Como consecuencia el material disminuye su energía invirtiendo los spines antiparalelos al campo, dando como resultado un
exceso de los electrones con spin paralelo al campo, lo que produce el paramagnetismo.
El uranio, el platino, el aluminio, el sodio y el oxigeno son elementos paramagnéticos.
Uranium, platinum, aluminum, sodium and oxygen are paramagnetic elements.
Materiales ferromagnéticos
El ferromagnetismo es un fenómeno cooperativo, ya que no se da en átomos aislados. Tiene lugar en los materiales
paramagnéticos del tipo anterior, es decir, que siguen el modelo de Pauli con sus átomos formando una red, pero en la
que los spines de los electrones interaccionan de tal manera que se alinean paralelamente entre sí. La teoría clásica se
debe a Weiss (1907) y postula un campo molecular en el interior de la sustancia como responsable de que los spines de
los electrones que se hallan dentro de una cierta región, que hemos llamado un dominio, se orienten en la misma
dirección, magnetizando el dominio a saturación. En el modelo de Heisemberg se postula una interacción entre los
spines de los electrones vecinos, llamada interacción de canje, que los orienta paralelamente entre sí.
Estos materiales presentan dominios que, como hemos dicho, son regiones cuyos spines se orientan paralelamente
entre sí. En el mismo material pueden aparecer dominios con sus spines orientados en direcciones diferentes. Estos
dominios aparecen espontáneamente cuando la temperatura baja por debajo del punto de Curie, de la misma manera
que un líquido se solidifica cuando su temperatura baja por debajo del punto de solidificación. Si se eleva la temperatura
de la muestra, los momentos magnéticos de los electrones van sufriendo el efecto de la agitación térmica, disminuyendo
el grado alineamiento de los mismos. Cuando la temperatura alcanza un valor crítico, la temperatura de Curie, la
ordenación de los momentos magnéticos desaparece y el material deja de ser ferromagnético para convertirse en paramagnético. La transición de uno a otro
estado es brusca, como lo es la del paso del hielo al agua o la del agua al vapor.
Elementos ferromagnéticos son los metales hierro, níquel y cobalto, así como las tierra raras gadolinio y disprosio.
Some ferromagnetic elements are iron, nickel, cobalt, gadolinium and dysprosium.
Materiales antiferromagneticos
Se presenta en sustancias semejantes a las ferromagnéticas, pero en las que la interacción de canje tiene un valor negativo, produciendo un alineamiento
antiparalelo entre los spines de electrones vecinos, lo que da como resultado que sus efectos se cancelen, comportándose el material como si fuese
paramagnético. La temperatura de transición entre el estado antiferromagnético y el paramagnético se conoce como temperatura de Néel, en honor a su
descubridor.
El único elemento antiferromagnético es el cromo.
Materiales ferrimagneticos.
Los materiales ferrimagnéticos tienen estructuras cristalinas muy complejas, y en ellas la interacción de canje produce
alineamiento paralelo de spines entre algunos de los átomos del cristal y antiparalelo entre otros.
En el material aparecen dominios magnéticos y se comporta de forma semejante a como lo hacen las sustancias
ferromagnéticas, pero como resultado de la aparición de momentos contrarios estos materiales presentan valores de saturación
más bajos. Las ferrita, como es evidente, pertenecen a este tipo de materiales.
Fundamentos físicos del comportamiento ferromagnético.
Llegados a este punto, disponemos de los datos necesarios para profundizar en los fundamentos del ferromagnetismo y los procesos que tiene lugar en estos
materiales.
Hemos visto que si dividimos un imán en trozos, obtenemos siempre imanes más pequeños. Por pequeños que
sean los trozos, todos poseen un polo norte y un polo sur. Por ello es lógico suponer que un imán está constituido
por millones de imanes microscópicos (en realidad es un número mucho más elevado), que reciben el nombre de
dominios magnéticos, cuyo tamaño es del orden de una décima a una centésima de milímetro.
Con este modelo podemos tratar de estudiar algunos fenómenos que no habíamos explicado, como la razón por la que el hierro y el acero se comportan
diferentemente después de ser sometidos a un campo magnético, conservando la imanación el acero y perdiéndola
el hierro cuando desaparece el campo magnético exterior. Para ver cómo se orientan estos dominios, podemos jugar
con dos imanes bipolares, de los del tipo de barra. Veremos rápidamente que se colocan espontáneamente de
manera que el polo norte de uno se una al polo sur del otro, y viceversa, indicando que es ésta la distribución de
menor energía. Para colocarlos de manera que tengan los polos del mismo signo unidos, situación en la que el
campo magnético de ambos se refuerza, debemos realizar un cierto trabajo para situarlos de esa forma y una fuerza
considerable para mantenerlos así. En el caso de los dominios, la situación es la misma; éstos tienden a colocarse
de manera que su energía sea mínima, lo que produce una distribución desordenada que da como resultado un
campo magnético exterior nulo.
También podemos materializar el modelo de dominios de un material ferromagnético blando sin imanar, como el hierro
dulce, colocando unas cuantas brújulas pequeñas en el fondo de una caja de cartón, en la forma representada en la
figura. Como el campo magnético terrestre es mucho más débil que el creado por una brújula sobre las que se
encuentran a su lado, estas se colocarán de manera que su energía sea mínima, produciendo una distribución
desordenada cuyo campo total sea nulo fuera de la caja.
Si acercamos ahora un imán potente a la caja, observaremos que las brújulas se orientan de manera que sigan las
líneas del campo creado por el imán, ordenándose de acuerdo con ellas. El campo total fuera de la caja será el resultado
de sumar el campo del imán permanente y el producido por las agujas imantadas de las brújulas.
Pero en el momento que alejemos el imán volveremos a tener la misma distribución original en las brújulas, como ocurre cuando se
queda sin campo magnético un trozo de hierro dulce. Las agujas de las brújulas han jugado el papel de dominios magnéticos, explicando por analogía lo que
ocurre en la realidad. Nuestro modelo de dominios magnéticos funciona.
El comportamiento de los materiales magnéticamente duros, como el acero, sabemos que es distinto, ya que cuando se retira
el imán permanente quedan imanados conservando un campo remanente. La razón para este comportamiento del material es
fácilmente explicable con nuestro modelo. Como el lector habrá adivinado, la aparición del magnetismo remanente tiene que
ser el resultado de que los dominios, por alguna razón, no vuelvan a su situación inicial desordenada, produciendo un campo
magnético exterior. Este nuevo fenómeno se puede introducir en nuestro modelo añadiendo un nuevo ingrediente. En el caso
del hierro dulce los dominios presentan formas esféricas de paredes lisas, de manera que pueden girar sobre sí mismos sin que aparezcan fuerzas de
rozamiento con los dominios con los que están en contacto. En cambio, en el caso de materiales duros, los dominios pueden presentar formas irregulares y
paredes rugosas, de manera que sea difícil que pierdan la ordenación producida por la presencia del campo magnético exterior. Como es lógico, la presencia
de impurezas en una sustancia magnética, o de defectos cristalinos en la red, así como cualquier tipo de heterogeneidad debe dificultar la rotación de los
dominios y por lo tanto producir el endurecimiento magnético del material.
Es fácil imaginarse el proceso de imanación por frotamiento de una muestra ferromagnética. En su estado inicial los
dominios se encuentran desordenados, como se muestra en la figura.
Al ir desplazando un polo del imán permanente a lo largo de la pieza que queremos magnetizar, sus dominios van
rotando para ordenarse siguiendo el campo.
Esta operación repetida puede llevar a la ordenación total de los dominios.
En realidad, en los procesos de magnetización tiene lugar, además de la rotación de los dominios, el
crecimiento de los que están orientados en el sentido del campo exterior, a costa del tamaño de los demás,
mediante el desplazamiento de las paredes que separan los dominios. Este proceso se ha representado en
estas figuras.
El modelo de dominios de tamaño fijo es el modelo de Preisach, y es cuantitativamente equivalente al de
desplazamiento de las paredes.
En algunos materiales la rotación de los dominios o la reducción de su número que acompaña a la magnetización producen una disminución de su volumen,
fenómeno que recibe el nombre de magneotstricción.
De todo ese tratamiento teórico se deduce fácilmente que el campo máximo que un material imanado puede producir corresponde al que se obtiene con
todos los dominios orientados en la misma dirección. Cuando un material alcanza esta situación decimos que está saturado.
En el caso de los materiales duros, la mayoría de los dominios conservan su orientación cuando desaparece el campo exterior, pero algunos de esos
dominios pueden perder su orientación y producir una disminución del campo magnético total. El número de los dominios que se muevan es lo que determina
la dureza del material. Como resultado de esta pérdida el magnetismo remanente suele ser menor que el que correspondería a la saturación.
Como veremos cuando tratemos el electromagnetismo, tanto los materiales duros como los blandos son importantes en las aplicaciones tecnológicas. Unos
en la fabricación de imanes y otros en hierros de transformador. En el caso de los materiales que se emplean para almacenar información, como en los
discos duros, será necesario que conserven las orientaciones de los dominios, pero que no requieran una energía muy elevada para reescribirlos. Son, pues,
materiales intermedios.
Empleando este modelo podemos explicar facilmente la transición de Curie, en la que el material pierde bruscamente su característica de ferromagnético al
alcanzarse una temperatura crítica. Es fácil imaginarse cómo al elevarse la temperatura los spines electrónicos van adquiriendo mayor energía, que tiende a
que sus ejes oscilen con amplitud creciente en torno a su posición de equilibrio. Si la agitación témica aumenta por encima de un valor crítico, la tendencia al
desorden vence a la fuerza ordenadorea de la interación de canje, perdiéndose la organización interna que hace que dentro de un dominio todos los spines
sean paralelos, convirtiéndose en un material paramagnético al desaparecer la ordenación en dominios.
ANEXO: Tipos de imanes.
Imán natural o piedra imán (Lodestone or loadstone)
Fue el primer imán permanente que se conoció y utilizó. Produce campos magnéticos bajos, pero su resistencia a la desmagnetización es razonable, sin ser
muy alta. Su composición química es Fe3O4, magnetita, un óxido de hierro ferromagnético.
La imanación de estos minerales se produce por inducción, al ser sometidos al campo magnético generado por la corriente eléctrica
de un rayo que caiga en sus proximidades. Es un fenómeno parecido al que se produce en el experimento de Oersted que hemos
realizado. La corriente que pasa por el cable paralelo a la brújula, del orden de 2 a 3 amperios, genera un campo magnético
perpendicular al campo terrestre, por lo cual la brújula cambia de orientación.
En el caso del rayo la corriente oscila entre 20.000 y 30.000 amperios, produciendo un campo magnético suficiente para saturar las piezas de magnetita que
se encuentren en las proximidades.
Imanes de aceros al carbón.
Estos materiales se desarrollaron en el siglo XIX. Producen campos más elevados que los imanes naturales, pero
presentan menor resistencia a la desmagnetización por lo que es necesario darles formas alargadas, entre las cuales la
más conocida es la de herradura.
Suelen tener trazas de otros metales con las que se forman carburos que precipitan en forma de impurezas. Estas
impurezas obstruyen el movimiento de las paredes de los dominios magnéticos.
Imanes de ALNICO.
Se desarrollaron hacia 1930 y presentan unas características magnéticas muy superiores a las del acero. Se llaman así porque están compuestos por
aluminio, níquel y cobalto. Se fabrican por sinterización o por vaciado en molde de una mezcla formada por un 3 % de cobre, un 8 % de aluminio, un 14 % de
níquel, un 24 % de cobalto y un 51 % de hierro. Tienen la ventaja de poseer buen precio, aunque no tienen mucha fuerza
El material presenta dos fases bien diferenciadas a las que debe sus características: agujas microscópicas de una aleación de hierro y cobalto, que es
ferromagnética, en una matriz no magnética de aluminio y níquel. Son los que presentan mejor comportamiento a temperaturas elevadas, con un punto de
Curie del orden de los 800 grados centígrados.
Imanes de tierras raras.
Son imanes pequeños, unas diez veces más potentes que los de ALNICO. Los más modernos están fabricados a base de neodimio,
hierro y boro, que están sustituyendo al sumerio y al cobalto, más frágiles, de precio más elevado y de mayor densidad, aunque con
mayor resistencia a la oxidación. Son bastante frágiles y tienen poca resistencia a la corrosión por lo que van recubiertos con un baño
de níquel o zinc, que les da una apariencia metálica.
Presentan alta resistencia a la desmagnetización y son los imanes más potentes del que puede disponerse a un precio asequible y se
pueden fabricar con cualquier forma, pero no pueden trabajar a temperaturas por encima de los 200 grados centígrados.
Deben manejarse con precaución para evitar daños corporales, sobre todo cuando se están manipulando dos o más imanes ya que pueden pellizcar la mano
y producir heridas.
Imanes cerámicos
Se llaman así por su apariencia y sus propiedades físicas. Están compuestos por bario y estroncio, y suelen ser grises, de superficie
lisa y de color gris oscuro. Se los fabrica dándoles cualquier forma, aunque los más comunes tienen forma cilíndrica con una figurita de
plástico unida, empleándose para sujetar notas en las neveras. Son frágiles, pueden romperse si se caen o se acercan a otro imán sin
el debido cuidado. Son conocidos bajo e nombre de ferritas, presentan alta resistencia a la corrosión y pueden utilizarse en un rango
de temperaturas comprendido entre los 40 grados bajo cero y los doscientos cincuenta grados centígrados.
Imanes flexibles
Se fabrican por inclusión de partículas magnéticas en un elastómero, como caucho o PVC. Son muy flexibles y se utilizan en publicidad, cierres para nevera,
tiras para sujetar notas, etc. La superficie que está en contacto con la superficie a la que se adhiere está formada por una serie de bandas estrechas que
alternan los polos norte y sur. De esta manera se consigue una región de campo relativamente intenso muy cerca de la superficie, pero que se anula a una
distancia muy corta de ella, del orden de los cinco milímetros (más o menos el grosor de la piel de las carteras). De esta forma se evita que se borren las
bandas magnéticas de los billetes de trasporte y de las tarjetas de crédito.